Le Cygne noir 2017-2018

Le Cygne noir 2017-2018

Journal des élèves de l'IPSA Paris

La photosynthèse artificielle

Mis en ligne en janvier 2017

Aujourd’hui, un nouveau moyen de produire de l’énergie est en train d’être mise au point : la photosynthèse artificielle par des chercheurs. Le MIT (Massachusetts Institute of Technology), l’équipe IMF du laboratoire CEISAM (Chimie et interdisciplinarités : synthèse, analyse, modélisation), l’équipe CEA de Saclay, et d’autres travaillent sur l’invention de la feuille artificielle pour produire de l’énergie d’une manière différente. Leur objectif est de produire une énergie renouvelable, respectueuse de l’environnement (qui n’utilise pas des matériaux nobles ou polluants) et stockable. Contrairement aux panneaux photovoltaïques, les feuilles artificielles seraient moins coûteuses et permettraient un stockage d’énergie. Théoriquement, ce procédé devrait être plus rentable mais en plus, on pourrait utiliser n’importe quelle « eau » (tant que des molécules d’eau sont présentes en quantité suffisante) pour faire de la photosynthèse artificielle.

Quand la recherche s’inspire de la nature

Prototype de la feuille artificielle créée par Nocera Daniel

Déjà évoquée dans les années 1990, la photosynthèse artificielle est inspirée de la photosynthèse naturelle. Le dispositif est constitué de plusieurs feuilles artificielles en métal accessible (silicium, cobalt, nickel, acier…). Deux principes peuvent être mise en œuvre, celui que nous présentons ici consiste à produire du dihydrogène avec de l’eau (de la mer par exemple) grâce à l’énergie lumineuse, ici solaire. (Il existe aussi d’autres systèmes de photosynthèse artificielle : comme celui réduisant le dioxyde de carbone.
Cette recherche répond à une nécessité énergétique. En effet, les besoins en électricité ne cessent de croître. Pour le moment, nous savons faire de l’énergie électrique à partir d’énergie mécanique, chimique comme les moteurs, solaire, hydraulique etc. Les problèmes résident dans notre incapacité à stocker l’énergie efficacement pour pouvoir la réutiliser et dans le respect de l’environnement. Pour résoudre le problème lié au stockage, l’énergie est stockée sous forme de dihydrogène (gaz), en effet : l’énergie sous forme de matière est plus facilement stockable et maniable. Le dihydrogène pourra servir à produire du carburant ou des piles à combustible permettant de produire de l’énergie. Les chercheurs s’inspirent de la réaction de l’électrolyse de l’eau.

L’électrolyse de l’eau

Le principe de l’électrolyse est le suivant : oxydation de l’eau à l’anode et une réduction à la cathode.

Équation bilan et principe de l’électrolyse

L’invention qui s’inspire de la photosynthèse naturelle est une réaction chimique consistant à produire du sucre (et du dioxygène) grâce à de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’énergie solaire, utilisée par des êtres vivants photoautotrophes comme la majorité des végétaux. Cette réaction se déroule dans des organites appelés chloroplastes de chaque cellule chlorophyllienne de la feuille et de la tige. On distingue deux étapes : la phase claire et la phase sombre (ou fixation du carbone), phase durant laquelle est produit le sucre. Ce qui nous intéresse ici est une étape de la phase claire qui est : l’oxydation de l’eau.

Cellule d’un végétal et Chloroplaste : lieu de la photosynthèse

Dans les coulisses de la photosynthèse artificielle

Nous sommes parfaitement capables de maitriser la réaction de l’électrolyse de l’eau à petite échelle. Le problème est les suivant : on ne maîtrise pas ces réactions efficacement dès qu’il y a en jeu plusieurs électrons ou des protons, or il y a ici 4 particules de chaque type (8 en tout) et de plus, l’électrolyse nécessite de l’énergie pour être rentable en termes de production de dihydrogène, ce qui est paradoxal car on souhaite produire de l’énergie. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont choisi de s’inspirer de la nature. Les angiospermes utilisent une antenne ou un photocatalyseur. Le but est de « produire et faire passer » des électrons grâce à des enchaînements de réactions grâce à l’énergie des photons. De la même manière, pour régler le problème d’énergie (déplacement de charges dont les électrons = courant électrique) et le problème du nombre d’électrons les chercheurs sont en train de finaliser un photocatalyseur sur le même modèle de celui des végétaux. Il existe aujourd’hui par exemple : les photocatalyseurs de Jacobsen et Brudvig.

La photosynthèse artificielle se déroule donc ainsi :

Principe du déroulement de la photosynthèse artificielle, de la feuille artificielle et prototype de la feuille artificielle en action

Elle est plutôt destinée à des entreprises pour une grosse production d’énergie que pour une utilisation privée. Mais comme cette technologie est encore en développement, nous ne pouvons pas encore savoir. Pour les mêmes raisons, nous n’avons encore aucune information sur le rendement ou la taille mais les chercheurs affirment que dans un futur proche, nous pourrons utiliser cette technologie. « Nous ne sommes plus très loin du but » a affirmé B. Robert le 6 Avril 2016 lors d’une conférence filmée.

Sahanaa Vijayakumar

Images et schémas de Sahanaa Vijayakumar

Lexique

Énergie renouvelable : Énergie utilisable sur une durée par rapport à laquelle la vie de l’espèce humaine est insignifiante

Angiosperme : une plante à fleurs

Photocatalyseur : Un catalyseur à pour but d’accélérer une réaction chimique. Le photocatalyseur à pour rôle de catalyser l’énergie solaire pour l’utiliser pour accélérer et optimiser la réaction chimique.

Photoautotrophe : capacité des molécules organiques de produire ce qui est nécessaire pour vivre (autotrophe) grâce à l’énergie lumineuse (photo) à partir de molécules inorganiques. Nous, les humains, sommes des hétérotrophes car nous utilisons de la matière organique déjà produite (aliments).

Pour en savoir plus

La Chimie Du Vivant – De La Protéine À La Photosynthèse Paul Mathis – André Brack Parution : 20/09/2000
Physique chimie Term S spécialité de Durupthy-A. Dulaurans (Auteur) Paru le 25 avril 2012
CEA Multimédia
CEISAM Équipe IMF la photosynthèse artificielle
« Un système de photosynthèse artificielle extrêmement efficace »
« la photosynthèse artificielle la plus efficace au monde »
Vidéos montrant le fonctionnement de la feuille artificielle
Conférence 6 avr. 2016 par Bruno Robert, CEA Saclay

Comments are closed.